王大龍 舒英格
摘要:土壤含水量是土壤學(xué)和農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)研究的重要領(lǐng)域和熱門課題,通過分析相關(guān)文獻(xiàn),將土壤水分測定方法從研究手段和范圍(尺度)上劃分為三大類:取樣—定位測量法、遙感監(jiān)測法、模型模擬法。經(jīng)過對已發(fā)表土壤水分測定方法相關(guān)文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)調(diào)查和檢索,依據(jù)文獻(xiàn)數(shù)量、文獻(xiàn)引用率和關(guān)鍵詞頻度,得出取樣—定位測定法是當(dāng)前土壤水分的主要測定方法,遙感監(jiān)測法是未來土壤水分測定方法的發(fā)展趨勢和方向,模型模擬法具有理論探索和研究的價(jià)值。
關(guān)鍵詞:土壤水分;土壤含水量;測定方法;研究進(jìn)展
中圖分類號:S1527
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
文章編號:1008-0457(2017)02-0061-05國際DOI編碼:10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2017.02.013
Abstract:Soil water content is an important field and hot topic in soil science and agricultural water-saving technology research. By analyzing literatures concerned, soil moisture determination methods are divided into three categories: sampling-location measurement method, remote sensing monitoring method, and model simulation method. According to statistical investigation on quantity of literatures, citation index and the frequency of keywords, we concluded that the sampling-location method was the main method to measure soil moisture, and the remote sensing monitoring method was the trend of the soil moisture measurement method in the future. The model simulation method also had a theoretical exploration and research value.
Key words:soil water; soil moisture content; determination method; research progress
土壤含水量是指土壤中所含有水分的數(shù)量,是表征土壤物理學(xué)特性的重要參數(shù)之一[1]。土壤水分一直是土壤學(xué)和其分支學(xué)科土壤物理學(xué)研究的重要領(lǐng)域和熱門課題,也是修復(fù)生態(tài)學(xué)學(xué)科研究的熱點(diǎn)[2-3]。土壤水是環(huán)境地質(zhì)水循環(huán)中最重要的源和匯,對調(diào)節(jié)大氣降水和環(huán)境水循環(huán)有重要作用,土壤水分研究的前提是土壤水分測定。土壤水分狀況的研究由來已久,最初由俄國的道庫恰耶夫組織了土壤水分狀況定位觀測,開創(chuàng)了土壤水分研究的先河;1943年美國人愛德弗生和安迪生基于熱力學(xué)視角觀察和研究土壤水分能量變化問題而擴(kuò)大了土壤水分研究范圍,開創(chuàng)了新的研究領(lǐng)域和試驗(yàn)方法;后來澳大利亞學(xué)者菲列浦在土水勢概念的基礎(chǔ)上提出“土壤—植物—大氣連續(xù)體(SPAC)”中水分運(yùn)移的問題,把土壤水分調(diào)控與植物水分環(huán)境狀況聯(lián)系起來,形成一個(gè)連續(xù)和統(tǒng)一的整體,為大尺度監(jiān)測和研究土壤水分的動態(tài)變化和能量轉(zhuǎn)化開辟新的領(lǐng)域和發(fā)展方向[4]。
近年來,土壤水分的實(shí)時(shí)監(jiān)測與時(shí)空變異性成為國際土壤學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[5]。本文經(jīng)過相關(guān)文獻(xiàn)的檢索分析,對土壤水分測定方法進(jìn)行分類并分析其發(fā)展趨勢,以期推動土壤水分測定方法的進(jìn)一步研究。
1土壤水分測定方法類型
關(guān)于土壤含水量測定方法的分類,各學(xué)者因研究目的、手段、途徑和對象尺度不同而提出的分類原因和方法不盡相同,沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。隨著土壤物理學(xué)的發(fā)展和人們對土壤水分的深入研究,土壤含水量的監(jiān)測方法與手段越來越多[6]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的檢索與研究分析,參考相關(guān)研究結(jié)果[7-10],將土壤水分測定方法從研究手段和范圍(尺度)上劃分為三大類:取樣-定位測量法、遙感監(jiān)測法、模型模擬法。
11取樣-定位測量法
取樣-定位測量法包括烘干法、酒精灼燒法、中子儀法、張力計(jì)法、時(shí)域反射法、頻域反射法、探地雷達(dá)法、介電法、駐波法和電容電阻法等。該方法是最先使用的土壤含水量測定方法,如取樣烘干測定法[11],結(jié)果相對準(zhǔn)確,操作過程簡單和成本較低,測定結(jié)果一般作為其他測量結(jié)果的對照參考,是確定其他測量結(jié)果精度的方法,但是取土?xí)r空連續(xù)性差,連續(xù)取樣工作量大,浪費(fèi)時(shí)間和財(cái)力。酒精灼燒法是一種快速測量土壤水分的實(shí)用方法,但需要多次重復(fù)燃燒方能求出精確值,且容易掉落土?;蛞蛉紵怀浞侄鴰磔^大誤差,影響精度值的測定,不適合于細(xì)粒土和含有機(jī)物的土的水分測定[12]。中子儀法是20世紀(jì)50年發(fā)展起來測定土中水分含量的方法[13]。用中子法測定土壤水分不但經(jīng)濟(jì)快捷、不破壞土壤結(jié)構(gòu)、不受溫度等因素影響,而且還能定點(diǎn)連續(xù)測量,無滯后現(xiàn)象,比較適于連續(xù)、動態(tài)監(jiān)測土壤水分變化過程,在較深土層和凍土地區(qū)水分監(jiān)測方面更加實(shí)用和優(yōu)越[14-15]。中子儀能與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和自動記錄系統(tǒng)連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,是田間原位測定土壤水分的實(shí)用方法,但中子儀法的垂直分辨率較差,測量信息以點(diǎn)位計(jì)算,不具代表性,中子儀產(chǎn)生的中子流和伽馬射線對人體健康有威脅,安全性不高[16]。張力計(jì)法是利用儀器在土壤中水分對其產(chǎn)生的壓力比數(shù)值變化與擬定的曲線方程結(jié)合測出土壤水分含量,儀器設(shè)備簡單,可以測定土壤中水勢張力變化的瞬時(shí)差值,與計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測,但此法需要依據(jù)土壤水分特征曲線來換算成土壤含水量,不能用于直接測量土壤真實(shí)含水量值,而且負(fù)壓儀器設(shè)備容易受環(huán)境影響導(dǎo)致測量精度不高[17]。時(shí)域反射法(TDR)是利用電磁脈沖技術(shù)與土壤水分介質(zhì)之間的數(shù)值關(guān)系確定土壤水分含量的測量方法。Topp研究發(fā)現(xiàn),在適當(dāng)溫度和含水量變化幅度較小時(shí),TDR測量值不受土壤溫度、容重和質(zhì)地等土壤物理性質(zhì)的影響[18]。TDR儀器具有易操作、測量快、精度和自動化程度高及土壤無擾動等優(yōu)點(diǎn),但是儀器電路復(fù)雜,價(jià)格昂貴,土壤質(zhì)地對測量結(jié)果影響較大;需要校對和標(biāo)定及受電纜長度的制約而不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離的土壤含水率測量[19]。頻域反射法(FDR)是利用電磁脈沖原理來測定土壤介質(zhì)的介電常數(shù),通過脈沖振蕩頻率和介電常數(shù)關(guān)系求導(dǎo)土壤含水率的儀器。FDR具有快速、連續(xù)性、自動化、寬量程、少標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)[20],但FDR在低頻操作時(shí),易受土壤質(zhì)地、容重和含鹽量的影響。探地雷達(dá)法(GPR)測量土壤含水量的方法有雷達(dá)信號屬性法、鉆孔雷達(dá)法、多偏和共偏移距法等,此類方法分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)采集和資料處理成像一體化、不破壞土壤結(jié)構(gòu),但數(shù)據(jù)采集和處理過程比較復(fù)雜[21-22],設(shè)備價(jià)格較高,難以大規(guī)模應(yīng)用。Gaskin和Miller提出傳輸線理論即駐波率法(SWR)的水分測量方法[23],SWR測量法能高精度、快速和連續(xù)地測量土壤水分,成本低,應(yīng)用于多種土壤類型水分測量;但是SWR受土壤含鹽量影響,其測量精度較時(shí)域反射法次之[24]。Bouyoucos等提出電阻法測量土壤含水率,其傳感器造價(jià)低、防腐化、可定點(diǎn)埋設(shè),能與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)測[25],但埋入土壤會破壞土壤結(jié)構(gòu)且測量時(shí)存在水分滯后現(xiàn)象[26],結(jié)果易受土壤溫度和鹽分的影響,土壤質(zhì)地不同需分別標(biāo)定。與電阻法相比,電容法對土壤物理性質(zhì)作用狀況較為敏感,但受土壤含鹽量的影響不大。
12遙感監(jiān)測法
遙感監(jiān)測法包括熱慣量與表觀熱慣量法、微波技術(shù)遙感法、植被指數(shù)法、作物缺水指數(shù)法和高光譜法等。熱慣量法是指在裸土地或低植被覆蓋地表熱量平衡的基礎(chǔ)上,對土表層水分進(jìn)行定量反演的方法。張仁華[27]通過對土壤顯熱、潛熱通量的研究提出水分熱慣量模型,利用遙感影像中最干點(diǎn)和最濕點(diǎn)訂正顯熱和潛熱通量對熱慣量計(jì)算的影響;根據(jù)熱傳導(dǎo)方程和能量平衡方程,得到與真實(shí)熱慣量更加接近的表觀熱慣量反演土壤水分。但根據(jù)Carlson等人[28]的研究,當(dāng)?shù)乇碚舭l(fā)量很大時(shí),表觀熱慣量為無效,在植被覆蓋度較大和地表濕度較大的情況下,不能用表觀熱慣量代替真實(shí)熱慣量。余濤[29]等通過簡化地表能量平衡方程,建立了地表綜合參量與熱慣量直接的關(guān)系,發(fā)展了一種計(jì)算真實(shí)熱慣量的方法;熱慣量模型方法對裸土地和植被覆蓋低及干旱荒漠區(qū)效果較好,在高植被覆蓋區(qū)監(jiān)測效果不良。微波遙感方法是利用土壤水分介電常數(shù)的巨大反差來反演土壤水分。微波遙感儀器結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕,適合衛(wèi)星搭載,不受地表形狀和地形起伏影響,可大范圍實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測[30]。微波遙感具有投射力強(qiáng),不受太陽輻射影響等優(yōu)點(diǎn),因此微波遙感監(jiān)測具有高精度、全天候的特點(diǎn)[31],但對有植被覆蓋的土壤水分監(jiān)測精度較低。植被指數(shù)法是指利用土壤濕度狀況與植被生長狀態(tài)的關(guān)系來反映土壤干濕目標(biāo)的測定方法,能反映植被水分狀況,也能通過反演方法計(jì)算土壤含水率狀況,模擬植被與土壤之間水分平衡狀態(tài);但植被覆蓋度和各種植被對水分需求量的函數(shù)變化是測定的主要障礙之一[32]。作物缺水指數(shù)法(CWSI)是指在植被覆蓋地區(qū),植被蒸騰引起的冠層溫度變化來反映土壤濕度狀況的監(jiān)測方法,其測量精度較高,監(jiān)測范圍突出,在植被覆蓋地區(qū)的土壤水分反演中明顯優(yōu)于熱慣量法。但CWSI模式是以單層能量模型為基礎(chǔ),在求解過程中所需的資料較多、不易計(jì)算和模擬研究,在作物生長初期冠層稀疏時(shí)監(jiān)測效果較差[33]。高光譜遙感技術(shù)可通過直接建立土壤水分與土壤反射率間的關(guān)系來監(jiān)測土壤水分[34]。Lobell 等[35]認(rèn)為土壤的體積含水量跟土壤光譜之間的指數(shù)相關(guān)關(guān)系比土壤重量含水量要好,具有波段多、光譜分辨率高、圖譜合一的特點(diǎn)。
13模型模擬法
模型模擬法包括土壤水動力學(xué)模型法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬法、水-云模型法和陸面數(shù)據(jù)同化模型法。由于土壤中水分參數(shù)變化難以確定和把握,所以研究土壤水動力學(xué)模型存在較大的困難,只能對土壤水分狀況進(jìn)行估算和預(yù)測,如徐梅等[36]應(yīng)用電磁理論和電介質(zhì)特性,利用溫度、電導(dǎo)率等物理量和土壤介質(zhì)的關(guān)系建立了土壤濕度的預(yù)測模型。申雙和等[37]利用有關(guān)定律和連續(xù)微分方程建立了農(nóng)田土壤水分預(yù)測模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)土壤含水率反演方法是利用后向散射模型反演土壤水分[38],對于植被覆蓋地表,植被含水量對后向散射系數(shù)的影響較大,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會造成對土壤水分的過低估計(jì);同時(shí)影響土壤水分的因素眾多且復(fù)雜多變,各因素之間相關(guān)性較強(qiáng),使反演結(jié)果的可靠性大大降低,這些都限制了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演算法的應(yīng)用[39]。水—云模型方法用于描述低矮植物的散射機(jī)理反演土壤水分,但精確度不高[40]。陸面數(shù)據(jù)同化法是在陸面和水文模型基礎(chǔ)上,采用不同的數(shù)據(jù)同化算法、同步校正陸面和水文模型的輸出,優(yōu)化地表和根區(qū)土壤水分來實(shí)現(xiàn)土壤水分模型預(yù)測功能 [41] 。
綜上,三類土壤水分測試方法各有優(yōu)缺點(diǎn),第一類取樣-定位測量法應(yīng)用歷史較長、方便實(shí)用、操作和測量過程簡單,結(jié)果相對精確;第二類遙感監(jiān)測方法憑借監(jiān)測周期短、探索空間大、信息輸出快和易定量分析及較大程度縮短野外工作量而成為最直接最有效的對地監(jiān)測方法和信息獲取重要手段之一[42]。第三類方法側(cè)重于理論上的數(shù)學(xué)建模,強(qiáng)調(diào)的是理論探索和模擬過程,對土壤水分監(jiān)測有一定的參考和借鑒意義,但是土壤水分是很復(fù)雜的動態(tài)循環(huán)和變化過程,用純理論的數(shù)學(xué)建模代替土壤水分真實(shí)的變化和循環(huán)過程尚需進(jìn)行深入研究。
2土壤水分測定方法文獻(xiàn)分析
為了解土壤水分各測定方法的應(yīng)用狀況及其發(fā)展趨勢,特對2016年9月前公開發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,文獻(xiàn)資料來源于中國知網(wǎng)期刊全文數(shù)據(jù)庫和萬方全文數(shù)據(jù)庫。
21文獻(xiàn)數(shù)量分析
分別以第一類取樣-定位測定法中的土壤水分烘干(紅外)法、酒精燃燒法、中子儀法、張力計(jì)法、時(shí)域反射儀、頻域反射儀法、探地雷達(dá)法、駐波率法、介電法和電容電阻法等常用方法為關(guān)鍵詞在兩大中文期刊數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行文獻(xiàn)追蹤檢索,共得到相關(guān)文獻(xiàn)1020篇,其中,中國知網(wǎng)檢索出391篇,萬方數(shù)據(jù)庫檢索出629篇,去掉重復(fù)及不相關(guān)的文章整理得到文獻(xiàn)985篇。以第二類遙感監(jiān)測法中的熱慣量法和表觀熱慣量法、微波遙感法、植被指數(shù)法、作物缺水指數(shù)法和高光譜遙感法為關(guān)鍵詞在兩大中文期刊數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行文獻(xiàn)追蹤檢索,得相關(guān)文獻(xiàn)679篇,其中,中國知網(wǎng)檢索出260篇,萬方數(shù)據(jù)庫檢索出419篇,去掉重復(fù)及不相關(guān)的文章整理得到文獻(xiàn)658篇。兩類分類方法共在中國知網(wǎng)和萬方全文數(shù)據(jù)庫檢索出文獻(xiàn)1643篇,第三類模型模擬方法30篇。從文獻(xiàn)量上來看,傳統(tǒng)的取樣—定位測定方法占據(jù)優(yōu)勢,占總文獻(xiàn)量的46%,遙感監(jiān)測方法占總文獻(xiàn)量的30%,而模型模擬方法文獻(xiàn)量最低。由此可見目前在土壤水分測定方法上主要以傳統(tǒng)測量方法為主,輔以遙感監(jiān)測方法和模型模擬方法進(jìn)行土壤水分狀況研究。
22文獻(xiàn)引用頻次分析
文獻(xiàn)資料被引用頻度的高低是一種文獻(xiàn)價(jià)值高低的直接反映,文獻(xiàn)計(jì)量就是通過檢索和統(tǒng)計(jì)相關(guān)文獻(xiàn)被引用的次數(shù)來判斷一種文獻(xiàn)的重要程度和理論與應(yīng)用價(jià)值。從中文兩大全文檢索數(shù)據(jù)庫對土壤水分測定各類型方法文獻(xiàn)引用頻次進(jìn)行分析可知,傳統(tǒng)的取樣-定位測量方法在各類型方法中被引頻率最高,為5779次,占各類土壤水分測定方法文獻(xiàn)引用頻度的5760%,是土壤水分主要和常規(guī)的測定方法,反映了土壤水分測定方法當(dāng)前的研究現(xiàn)狀。遙感監(jiān)測法方法在各類型方法中被引頻率僅次于取樣-定位法,引用3910次,占總引用數(shù)的384%,說明遙感或遙感監(jiān)測已經(jīng)成為傳統(tǒng)方法之外的最佳選擇,其中的熱慣量和表觀熱慣量法、微波遙感法和植被指數(shù)法已成為遙感監(jiān)測土壤水分的主要方法,在植被覆蓋地區(qū)和干旱地區(qū)土壤水分遙感反演和監(jiān)測應(yīng)用較高。模型模擬方法在各類型的方法中被引頻率最低,引用501次,占總引用數(shù)的49%,說明在純理論層面,土壤水分研究還處于初級階段,指導(dǎo)土壤水分測定的實(shí)踐水平不高。
23關(guān)鍵詞頻度分析
關(guān)鍵詞是一篇文章的題眼,也是反映文章特色和價(jià)值程度的載體,對關(guān)鍵詞的研究可以反映某個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和熱點(diǎn)以及存在的問題,對相關(guān)領(lǐng)域研究文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索和歸納總結(jié),能更好的把握文獻(xiàn)展現(xiàn)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展。在梳理相關(guān)文獻(xiàn)之后,對土壤水分測定的關(guān)鍵詞進(jìn)行頻度統(tǒng)計(jì)和分析。
從土壤水分測定方法關(guān)鍵詞頻度分析得出,傳統(tǒng)的取樣-定位測量法是主要的土壤水分常規(guī)測量方法,占各類土壤水分測定方法關(guān)鍵詞頻度的5756%,它種類多而全,能夠滿足一般實(shí)驗(yàn)所需和日常監(jiān)測小范圍的土壤水分狀況,并且可以把不同的測量儀器結(jié)合起來使用,各取所長,為生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究土壤水分狀況之用,表現(xiàn)了目前我國土壤水分測定方法的現(xiàn)狀。遙感監(jiān)測土壤水分方法雖然出現(xiàn)的時(shí)間不長,但發(fā)展迅速,占各類土壤水分測定方法關(guān)鍵詞頻度的3458%,已成為傳統(tǒng)土壤水分測量方法之外的重要方法之一。從關(guān)鍵詞頻度分析可看出,遙感或遙感監(jiān)測以及干旱或干旱監(jiān)測出現(xiàn)頻率較高,說明遙感和干旱是未來土壤水分測定方法的發(fā)展趨勢和方向;對干旱土壤的研究是土壤含水量狀況的重要方面,而遙感對干旱地區(qū)土壤水分狀況的監(jiān)測和反演研究是其他測定方法無以取代的,遙感監(jiān)測方法的大范圍、跨區(qū)域、全方位和實(shí)時(shí)、周期性的優(yōu)勢及特點(diǎn)為土壤水分測定研究開辟了更廣闊的領(lǐng)域,其最大的特點(diǎn)在于使土壤水分的研究測定從單純的土壤介質(zhì)擴(kuò)大到了植物和大氣領(lǐng)域,所以遙感監(jiān)測已成為一種監(jiān)測土壤含水量的新方法[43]。模型模擬法僅占各類土壤水分測定方法關(guān)鍵詞頻度的1386%,但模型模擬方法通過對土壤水分運(yùn)動狀況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究和數(shù)學(xué)建模,是今后土壤水分研究的指引和向?qū)В鳛槔碚撗芯康南葘?dǎo)有極大的探索價(jià)值。
3結(jié)論
通過對2016年9月以前相關(guān)文獻(xiàn)的檢索分析,參考相關(guān)研究結(jié)果,將土壤水分測定方法從研究手段和范圍(尺度)上劃分為三大類:取樣—定位測量法,遙感監(jiān)測法,模型模擬法。第一類土壤含水量取樣-定位測定法操作方便、過程簡單和結(jié)果誤差較小,是當(dāng)前土壤水分的主要測定方法,但是應(yīng)用范圍有限,不適合大批量和大范圍的業(yè)務(wù)測定和監(jiān)測工作,野外測定土壤水分的效率不高。第二類是遙感監(jiān)測法,它具有全天候、大范圍和信息傳輸快等優(yōu)點(diǎn),對區(qū)域性較大尺度和全球性土壤水分保持和運(yùn)動狀態(tài)的觀測提供了全新的手段和方法,是目前土壤含水量測定方法的熱門之選,具有廣闊的發(fā)展前景,但土壤是非均質(zhì)體,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,植被和生態(tài)環(huán)境的多樣性增加了遙感監(jiān)測的難度,今后的研究要設(shè)計(jì)更多的參數(shù)充分考慮影響因子的作用,得出更加精確和實(shí)用的水分?jǐn)?shù)據(jù)供研究和生產(chǎn)應(yīng)用。第三類模型模擬法具有理論探索和研究的價(jià)值,但模型設(shè)計(jì)要具有專業(yè)知識和實(shí)驗(yàn)設(shè)備,對廣大的農(nóng)業(yè)管理和研究人員是一大挑戰(zhàn),應(yīng)用比較困難。
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